Ein gemeinsames Forschungsteam von POSTECH und UNIST schlägt ein dynamisches sensorisches System mit künstlichen Rezeptoren vor, die Spike-Signale erzeugen. Das neu entwickelte System ermöglicht eine Echtzeit-Reaktion, die echte Haut imitiert und strukturell einfach ist.
Dank des Tastsinns in unseren Händen und Füßen können wir Gegenstände aufheben und sichere Schritte machen. So fungiert die Haut als Kanal, der die Außenwelt oder Reize mit dem menschlichen Körper verbindet. Wenn diese Sinnesfunktionen nicht richtig funktionieren, wird es schwierig, Gegenstände zu greifen oder zu benutzen, und im schlimmsten Fall können wir uns nicht vor gefährlichen äußeren Reizen wie Hitze schützen, die Verbrennungen verursachen kann. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass elektrische Haut - die für künstliche Haut oder humanoide Roboter entwickelt wird - in der Lage ist, in Echtzeit auf die äußere Umgebung zu reagieren.
Ein POSTECH-Forschungsteam unter der Leitung von Professor Unyong Jeong und Doktorand Taeyeong Kim (Department of Materials Science and Engineering) hat in Zusammenarbeit mit Professor Sung-Phil Kim und Doktorand Jaehun Kim (Department of Biomedical Engineering) am UNIST eine elektronische Haut entwickelt, die den Tastsinn genau wie der Mensch wahrnehmen kann.
Herkömmliche elektronische Häute konnten taktile Informationen nur durch die sequentielle Messung elektrischer Signale verarbeiten, die von der großen Anzahl der im Sensor konfigurierten Pixel kamen. Da die Messung der dicht gepackten Pixel viel Zeit in Anspruch nahm, war es schwierig, eine elektronische Haut mit hoher räumlicher Auflösung zu entwickeln, die sofort auf Reize reagiert.
Die Sinnesrezeptoren der Haut1 erzeugen als Reaktion auf einen äußeren Reiz ein Spike-Signal2-Spektrum in Form eines elektrischen Potenzials und erkennen es durch Analyse des Signalmusters im Gehirn. Die Forscher haben sich diesen Mechanismus der Signalerzeugung und -erkennung des sensorischen Systems der Haut zum Vorbild genommen, um einen künstlichen sensorischen Rezeptor zu entwickeln, der selbständig Spike-Signale erzeugt, und eine elektronische Haut geschaffen, die alle Signale gleichzeitig senden kann, um sie in Echtzeit zu analysieren.
Da einem Biosignal die Information über den Ort fehlt, ist es schwierig, einen dynamischen externen Stimulus in hoher räumlicher Auflösung zu erkennen. Um diese Einschränkung zu überwinden, präsentierten die Forscher zum ersten Mal, dass die künstlichen Spike-Signale so charakterisiert werden können, dass sie Positionsinformationen enthalten. Ausgestattet mit dieser Funktionalität kann die E-Skin sowohl räumliche Informationen wie Position und Bewegungsspur als auch zeitliche Informationen wie Geschwindigkeit und dynamische Kontaktfläche auswerten. Da alle künstlichen Rezeptoren in einer e-skin Signale mit nur einem Paar Messelektroden übertragen, wurde die Elektrodenstruktur im Vergleich zu den herkömmlichen e-skins vereinfacht.
Bei der Anwendung dieser Technologie auf einen realen Roboter bestätigten die Forscher, dass die künstliche Haut auf äußere Reize wie ein Mensch reagiert.
"Unser Körper erzeugt dank der flexiblen Natur von Elektrolyten ständig elektrische Signale", erklärt Professor Unyong Jeong von POSTECH, einer der Mitautoren der Studie. "Wenn wir die biosensorischen Mechanismen verstehen und Methoden entwickeln, um sie mit Elektrolytmaterialien zu aktualisieren, können wir davon ausgehen, dass die E-Skin zur Wiederherstellung der Taktilität geschädigter Haut bei Patienten und zur Herstellung von Robotern mit der Fähigkeit zur emotionalen Verbindung mit Menschen eingesetzt werden kann.
Professor Sung-Phil Kim von der UNIST, der andere Mitautor der Studie, bemerkte: "Die Umwandlung der externen Reize in Spike-Signale und deren Verarbeitung ist eine bahnbrechende Idee, die nachahmt, wie das menschliche Nervensystem Informationen verarbeitet." Er fügte hinzu: "Wenn ein neues KI-Modell unter Verwendung dieser Spike-Informationskodierungsmethode entwickelt wird, kann die taktile Intelligenz von Robotern weiterentwickelt und effektiv auf Halbleitertechnologien der nächsten Generation wie neuromorphe Chips angewendet werden."
Die in der internationalen Zeitschrift Science Robotics veröffentlichte Studie wurde mit Unterstützung des Basic Research Laboratory Program und des Brain Convergence Research Program durch die National Research Foundation of Korea durchgeführt.
1. Rezeptoren
Sinnesnervenenden, die auf verschiedene Reize reagieren
2. Spike-Signal
Ein elektrisches Signal, das eine Spannung erzeugt und dann aufgrund einer Veränderung der Ionenverteilung im Rezeptor verschwindet, wenn ein äußerer Reiz auftritt.
Weitere Informationen:
https://www.postech.ac.kr/eng/electronic-skin-that-can-feel-in-real-time/?pageds=1&k=&c= [This is automatically translated from English]